配电网自动化技术第四章 配电网馈线监控终端

• 由于一阶低通滤波器的滤波特性不太理想，考虑一定的裕 度，截止频率取1 500Hz（30次谐波）左右，则采样频率 为每周波64点或以上。
交流量采集回路-- A／D转换的速度、精度和范围
• 馈线终端单元内部经小TA、小TV变换后的信号的电压幅度 越大，其受噪声干扰的影响也就越小。因而在选取小TA、 小TV的输出范围和A／D的输入范围时，应该越大越好。
第4章
配电网馈线监控终 端
4.1 馈线监控终端简介
一、馈线监控终端功能及性能要求
馈线监控终端应具有功能：
遥信、遥测、遥控。对时。事故记录、事件顺序记录。 定值远方修改和召唤定值。通信功能 。故障录波……
二、馈线监控终端的构成
• 馈线监控终端作为一个独立的智能设备，一般由1个或若干个 核心模块馈线终端单元（独立机壳）、外置接口电路板、充 电器、蓄电池、机箱外壳以及各种附件组成。
通信
程序 数据 存储
交流量采集回路设计主要需考虑的是： • 该馈线终端单元的应用场合。 • 需要监视的交流通道数量和各通道的输入范围。 • 前置低通滤波器的参数。
• A／D转换的精度、输入范围和转换速度。
交流量采集回路--交流通道数量
• 交流通道数量取决于馈线终端单元需要监视的馈线数量。
• 一条馈线需要监视的交流量主要有三相电压、三相电流共 计6个交流量。
（2）衡量算法优劣的标准 • 计算精度 • 计算速度
（3）保护和监控对算法的不同要求 • 监控需要CPU得到的是反映正常运行状态的电参数。监控在算
法的准确性上要求更高一些，希望计算出的结果尽可能准确。 • 继电保护更关心反映故障特征的量，例如频谱、突变量、负
序或零序分量、以及谐波分量等。继电保护则更看重算法的 速度和灵敏性，必须在故障后尽快反应，以便快速切除故障。
3.数字量输出回路
• 提供返校通道能保证在错误的遥控命令已发出的情况下，通 过返校回路还能及时发现错误命令并立即闭锁遥控出口，避 免事故发生。
• 返校回路也能保证馈线终端单元能定期地对 遥控回路监视，防患于未然。
三、馈线终端单元的硬件
4.通信接口及人机界面
• 馈线终端单元除了需完成交流采样和故障检测外，更重要 的是与配电网主站或子站通信，及时将遥测、遥信和故障 信号传到主站或子站，并执行主站或子站相应的遥控命令。
• 对开闭所馈线终端单元的实现，主要有两种方案：
• 一种是每个馈线终端单元分别监视一条或几条馈线，同时 各馈线终端单元间通过通信网络互联实现数据转发和共享。 系统可以分散安装，各馈线终端单元功能独立，接线相对 简单，便于系统扩充和运行维护。
• 另一种方案是在传统的RTU基础上将功能增强，提供故障 检测功能，甚至继电保护及备用电源自投等功能，由类似 的成套设备来完成全部的功能。这种方案不利于安装及维 护，系统扩充也不方便，另外整个系统稳定性也相对较低。
五、环网柜和开闭所的馈线终端单元
1. 柱上开关馈线终端单元
• 一般的馈线终端单元都是按监控一条线路设计的，在碰到 同杆架设两条线路的情况时，可以用同时装设两台馈线终 端单元的办法来解决这一问题。
• 一般两台馈线终端单元用级连的方法相连，两台馈线终端 单元一主一从，只有主馈线终端单元直接和主站系统通信， 从馈线终端单元通过主馈线终端单元间接和主站系统通信。
三、馈线终端单元的硬件
2.数字量输入回路
• 开关位置信号，弹簧储能信号，接地刀闸信号，工作电源 的失电信号等。每馈线提供6-8个数字量输入已能满足要求。
• 硬件上一般增加低通滤波回路以防止高频电磁干扰造成遥 信误报，软件上采用变位记录并延时确认的方式避免接点 抖动造成遥信误报。
• 由于许多馈线终端单元安装在户外甚至电线杆上，检修维 护极为不便，设计时最好能考虑到遥信量自检功能。
多
通道2 路 转
换
…
器
采样 保持器
A/D 转换器
图4-7 顺序采样，顺序
数
A／D转换
据
总
线
通道n
考虑n个通道间的基波信号相位差。设单通道采样时间为 Ts (单位s)，单通道A/D转换时间为 TA/ D，第一通道与第n通道
间的相位差为 n ，则：
n n 1Ts TA/ D 2f1 360n 1Ts TA/ D
• 各附件包括就地远方控制把手、分合闸按钮、跳合位置指示 灯、接线端子排、航空接插件、空气开关、除湿和加热器等。
三、馈线终端单元的硬件
AC输入 模拟 DC输入 量输
入
模数 转换
DSP 芯片
主
开入 开关 量
开出 I/O
CPU 可编程逻
辑器件
图3-1 馈线终端单元硬件框图
1.交流量采集回路
通信 调试 接口
二次谐波含量一般大于15%的基波电流。通过检测二次谐波含 量的大小，可以有效地区分线路合闸送电和馈线短路故障。
当并联电容器投入时，也会出现很大的合闸冲击电流， 不过它衰减更快，可以通过二次谐波制动方案结合 两个周波的故障延时确认。
2. 故障检测功能
（2）单相接地故障检测
• 单相接地选线和定位在配电网中是一个技术难点，单相 接地故障占配电网总故障的70%以上。
xs (t) x(nTs )(n 1, 2,3 )
对于50Hz的正弦交流电流、电压来说，理论上只要每 个周波采样两点就可以表示其波形的特点了。但为了保证计 算准确度，需要有更高的采样频率。一般取每个周波12点、 16点、20点或24点的采样频率。如果为了分析谐波，例如考 虑到16次谐波，则需要采用每个周波32点的采样速率，即采 样频率为1600Hz。
t
0
xs (t) Ts
xs (t) x(t)s(xts)(t) Ts
0
t
0
可以把采样过程看作是脉冲调幅过程
调制信号 t
t t
模拟信号x(t)首先通过采样保持器，每隔一段时间采 样一次（定时采样）输入信号的即时幅度，并把它存放在保 持电路里面供A／D转换使用。经过采样以后的信号称为离散 时间信号xs(t)，可表示为：
4.1 馈线监控终端简介
四、馈线终端单元软件 1. 测控功能
• 馈线终端单元的测控功能包括交流电压、电流信号的高 速实时采样和有效值计算，有功、无功、功率因数计算， 各交流量的2~16次高次谐波分量及谐波总量计算；
• 遥信量的采集及上送； • 遥控返校及执行等功能。
四、馈线终端单元软件 2. 故障检测功能
（1）相间短路故障检测
整定值整定原则：
① 相电流的整定值一般是选为大于线路的最大负荷电流值；
② 零序电流的整定值要躲过系统正常运行时的不平衡电流值。 涌流电流最大时可以达到配电变压器额定电流的6~8倍，
在配电网中励磁涌流通常需要0.1~0.15s才衰减完毕。 在空投变压器时，通常会出现励磁涌流现象，涌流波形的
二、模拟量采集的基本原理
2. 采样方式
（1）基本采样方式 1）异步采样
异步采样也称定时采样。等间隔采样周期保持不变， 即为常数。采样频率通常取为工频的整倍数。 2）同步采样
同步跟踪采样。通过硬件或软件测取基频周期的变化， 然后动态调整采样周期来实现。
fs / f1 N
2. 采样方式
（2）多通道采样方式
字量的位数来表示绝对精度单位，如精度是最低位的1/2位即±1/2LSB；而用 百分比来表示满量程的相对误差，如0.05％。 •（5）转换时间
指模数转换器完成一次将模拟量转换为数字量的过程所需要的时间。
三、交流采样算法
1. 概述
（1）算法的基本概念
连续型的电压、电流等模拟信号经过离散采样和模／数变 换成为数字量后，CPU将对这些数字量进行分析、计算，得到 所需的电参数。完成上述分析计算的方法，称为交流采样算法。
1）同时采样
通道1
采样 保持器
A/D 转换器
通道2
采样 保持器
A/D 转换器
数 据 总
线 …
通道n
采样 保持器
A/D 转换器
通道1
采样 保持器
多
通道2
采样 保持器
路 转
换持器
数
A/D
据
转换器
总
线
a）同时采样，同时A／D转换
b）同时采样，顺序A／D采样
图4-6 同时采样
2）顺序采样
通道1
三、交流采样算法 2. 电气量交流采样算法
为了获得被测电量值，必须对采样所得的一组离散量 进行计算。由交流采样计算电气量的算法比较多，如有效值 法、两点乘积法、导数法、半周积分法及傅里叶级数算法等。
馈线终端单元常采用傅里叶级数算法。
傅里叶级数算法
• 假定被采样的模拟信号是一个周期性时间函数，除基波外 还含有不衰减的直流分量和各次谐波，可表示为
T1
rad
假设先对三相电流及零序电流采样后，再对三相电压及
零序电压采样，且同相电压与电流间的各项参数为：
n 5 T1 20ms Ts 10 s TA/D 30s
于是同相电压与电流通道采样值间隔的电气角度为
5
360
(5 1) (10 30) 106 20 103
4.2 馈线监控终端数据采集原理
一、概述
总线
TV
电
低通滤波 采样保持 多
平
路
TA
变 换 器 电压形成回路
… … …
低通滤波
采样保持
转 换 A/D 开 关
CPU 存储器
1. 模拟信号首先被转换成与馈线终端单元的CPU相匹配的电 平信号；把来自电压互感器和电流互感器的交流电波形的 幅值降低，以达到电平配合的目的。
2.88
二、模拟量采集的基本原理 3. 模数转换器的主要技术指标
•（1）分辨率 A/D转换器对模拟输入量的辨别能力。
•（2）输入模拟量的极性 指模数转换器要求输入信号是单极性或双极性电压。
•（3）量程 指模数转换器输入模拟电压的范围。
•（4）精度 模数转换器的转换精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。通常用数
2.环网柜的馈线终端单元
• 环网柜馈线终端单元安装在环网柜内。环网柜一般都为2 路进线，多路出线，因此环网柜馈线终端单元至少需要监 控四条线路，要求馈线终端单元有很大的数据容量。
• 采用柜式结构，多个带CPU的馈线终端单元板插 到机柜的插槽中，采用CAN总线方式 实现互联。
3. 开闭所的馈线终端单元
• 配电网自动化的通信系统使得小电流接地系统接地故障 检测方案可综合考虑各处馈线终端单元的零序电流数据。
• 对零序电流测量，有直接和间接两种测量方式。
直接方式是馈线终端单元直接接入零序电流互感器的二次输出，直接采集零序 电流；
间接方式是馈线终端单元接入三相电流互感器的二次输出，软件将采集的三相 电流相加，间接计算出零序电流值。
• 工作环境的电磁噪声强度往往处在1~10mV之间，A／D转换 的最小分辨率低于5mV无甚意义。以输入范围为±10V的A ／D来说，12位（最小分辨率为±5mV）或14位（最小分辨 率为±1.25 mV）精度已经足够了。
• 至于A／D转换的速度，取决于采样通道数量，另外与软件 处理方式有一定关系，一般每秒采样10~50万次已经足够。


• 馈线终端单元的人机界面包括按键及显示两部分。显示部 分一般采用液晶显示器，也有采用便携电脑由软件提供数 据显示及人机交互功能 。
5.CPU
• 按照功能划分，将不同的功能分配给不同的CPU来处理。 • 由DSP完成数据滤波和处理。 • 由网络协处理器完成以太网通信。 • 由主CPU完成逻辑运算和其他功能。
2. 经过前置模拟低通滤波器滤除其中的高频分量； 3. 经过模数转换器把模拟量转化成相对应的数字量； 4. CPU利用得到的数字量并结合一定算法求得各电参数的值。
二、模拟量采集的基本原理
1. 模拟量的采样离散化
x(t)
x(t) Ts
s(t)
Ts
xs (t) 0
被调制的
脉冲载波
T (t)
Ts
0
• 馈线终端单元内的电流互感器的输入范围不同于传统的保 护或监控装置，一般来说，其动态输入范围为0- 50A。
交流量采集回路--滤波及采样点数
• 由于采样频率为信号频率的几十倍甚至上百倍，使用FFT 等数字滤波的效果极为明显。它能非常真实的分离出系统 的基波分量和通常所关心的高次谐波分量，这样馈线终端 单元中对前置低通滤波器一般采用一个一阶RC无源低通 滤波器就足够了。
• 如果馈线终端单元需要监视分段器，则需要考虑引入分段 器两侧的馈线电压量以用于备用电源自动投入，此时馈线 终端单元需要监视的量就达到了9个（6路电压、3路电流)。
交流量采集回路--交流输入的量程
• 在配电网自动化终端设计中，TA取了一个既能保证一定的 测量精度，又能满足短路故障时不会深度饱和的TA。